Nueve segundos. Una eternidad en algunos experimentos científicos; una cantidad inimaginablemente pequeña en el gran esquema del universo. Y el tiempo suficiente para confundir a los físicos nucleares que estudian la vida útil del neutrón.
El neutrón es uno de los componentes básicos de la materia, la contraparte neutra del protón positivo. Como muchas otras partículas subatómicas, el neutrón no dura mucho fuera del núcleo. En el transcurso de unos 15 minutos, se rompe en un protón, un electrón y una partícula diminuta llamada antineutrino.
Pero el tiempo que tarda el neutrón en desmoronarse presenta un misterio. Un método lo mide como 887,7 segundos, más o menos 2,2 segundos. Otro método lo mide como 878,5 segundos, más o menos 0,8 segundos. Al principio, esta diferencia parecía ser una cuestión de sensibilidad de medición. Puede que sea solo eso. Pero a medida que los científicos continúan realizando una serie de experimentos cada vez más precisos para evaluar posibles problemas, la discrepancia permanece.
Desde la izquierda, el personal de ORNL, Matthew Frost y Leah Broussard, trabajan en el reflectómetro de magnetismo en la fuente de neutrones de espalación, que se utiliza para la búsqueda de neutrones espejo. Crédito: Genevieve Martin / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Esta persistencia lleva a la posibilidad de que la diferencia apunte a algún tipo de física desconocida. Podría estar revelando un proceso desconocido en la desintegración de neutrones. O podría estar apuntando a una ciencia más allá del Modelo Estándar que los científicos utilizan actualmente para explicar toda la física de partículas. Hay una serie de fenómenos que el Modelo Estándar no explica completamente y esta diferencia podría señalar el camino hacia la respuesta a esas preguntas.
Para desentrañar esta extraña disparidad, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) está trabajando con otras agencias federales, laboratorios nacionales y universidades para precisar la duración de la vida útil de los neutrones.
Una cantidad fundamental
Los físicos nucleares comenzaron a estudiar la vida útil de los neutrones debido a su papel esencial en la física. “Hay algunas cantidades fundamentales en la naturaleza que parecen ser siempre importantes”, dijo Geoff Greene, profesor y físico de la Universidad de Tennessee en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE. Ha estado investigando la vida útil de los neutrones durante gran parte de su vida, unos 40 años. “Las teorías van y vienen, pero la vida útil de los neutrones parece seguir siendo un parámetro central en una variedad de cosas”.
El neutrón es una guía útil para comprender otras partículas. Es la partícula más simple que es radiactiva, lo que significa que regularmente se descompone en otras partículas. Como tal, proporciona mucha información sobre la fuerza débil, la fuerza que determina si los neutrones se convierten en protones o no. A menudo, este proceso libera energía y hace que los núcleos se rompan. Las interacciones de la fuerza débil también juegan un papel importante en la fusión nuclear, donde se combinan dos protones.
La vida útil de los neutrones también puede proporcionar información sobre lo que sucedió momentos después de la Big Bang. En los pocos segundos posteriores a la formación de los protones y neutrones, pero antes de que se unieran en elementos, hubo una sincronización precisa. El universo se estaba enfriando rápidamente. En cierto punto, se enfrió lo suficiente como para que los protones y neutrones se unieran casi instantáneamente para formar helio e hidrógeno. Si los neutrones se desintegraran un poco más rápido o más lento en protones, tendría grandes efectos en ese proceso. Habría un equilibrio de elementos muy diferente en el universo; es probable que la vida no exista.
“Es uno de esos accidentes fortuitos de la naturaleza que tenemos elementos químicos”, dijo Greene. A los científicos les gustaría tener un número sólido de la vida útil de los neutrones para conectarlo a estas ecuaciones. Necesitan reducir la incertidumbre de la vida a menos de un segundo. Pero conseguir esta certeza es más difícil de lo que parecía inicialmente. “La vida útil de los neutrones es uno de los parámetros fundamentales menos conocidos del Modelo Estándar”, dijo Zhaowen Tang, físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) del DOE.
Los experimentos individuales han podido alcanzar este nivel de precisión. Pero la incongruencia entre los diferentes tipos de experimentos impide que los científicos determinen un número específico.
Descubriendo una discrepancia
Descubrir que había una diferencia surgió del deseo de los físicos de ser comprensivos. Usar dos o más métodos para medir la misma cantidad es la mejor manera de garantizar una medición precisa. Pero los científicos no pueden poner temporizadores en los neutrones para ver qué tan rápido se deshacen. En cambio, encuentran formas de medir los neutrones antes y después de su desintegración para calcular la vida útil.
Los experimentos con haces utilizan máquinas que crean corrientes de neutrones. Los científicos miden la cantidad de neutrones en un volumen específico del haz. Luego envían la corriente a través de un campo magnético y dentro de una trampa de partículas formada por un campo eléctrico y magnético. Los neutrones se desintegran en la trampa, donde los científicos miden la cantidad de protones que quedan al final.
“El experimento del rayo es una forma realmente difícil de realizar una medición de precisión”, dijo Shannon Hoogerheide, física del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), que ha colaborado con científicos del DOE. “La medición del haz requiere no una, sino dos mediciones absolutas”.
Por el contrario, los experimentos con botellas atrapan neutrones ultrafríos en un recipiente. Los neutrones ultrafríos se mueven mucho más lento que los normales, unos pocos metros por segundo en comparación con los 10 millones de metros por segundo de las reacciones de fisión. Los científicos miden cuántos neutrones hay en el contenedor al principio y luego nuevamente después de un cierto período de tiempo. Al examinar la diferencia, pueden calcular qué tan rápido se desintegraron los neutrones.
“El experimento de la botella mide a los supervivientes, el experimento del rayo mide a los muertos”, dijo Greene. “El experimento de la botella parece fácil, pero en realidad es muy difícil. Por otro lado, el experimento del rayo suena difícil y es difícil “.
Un experimento de haz en NIST en 2005 (con el apoyo de DOE) y un experimento de botella en Francia poco después revelaron por primera vez la diferencia en la medición. Desde entonces, los experimentos han tratado de reducir el espacio entre los dos minimizando tantas incertidumbres como sea posible.
Greene y sus colaboradores tomaron nuevas medidas en 2013 en NIST que les ayudaron a recalcular el experimento de haz de 2005 con mayor precisión. En ese momento, los científicos habían completado cinco experimentos con botellas y dos haces. Greene estaba convencido de que los experimentos con haces anteriores habían pasado por alto una de las mayores fuentes de incertidumbre: contar con precisión el número de neutrones en el haz. Mejoraron la medición de esta variable para hacerla cinco veces más precisa. Pero ocho años de arduo trabajo los dejaron con casi la misma brecha en los resultados.
Los físicos que trabajaban en experimentos con botellas enfrentaron sus propias luchas. Uno de los mayores desafíos fue evitar que los neutrones se perdieran en las interacciones con el material del que está hecho el contenedor. Una fuga cambia el número de neutrones al final y desecha el cálculo de la vida útil.
Para resolver este problema, el experimento de botella más reciente en LANL (que fue apoyado por la Oficina de Ciencias) eliminó las paredes físicas. En cambio, los físicos nucleares utilizaron campos magnéticos y gravedad para mantener los neutrones en su lugar. “Estaba en el campo de, si hacemos eso, podríamos conseguir que un neutrón viva más y esté de acuerdo con la vida útil del rayo”, dijo Chen-Yu Liu, profesor de la Universidad de Indiana que dirigió el experimento. “Ese fue mi prejuicio personal”.
Pero la diferencia permaneció. “Eso fue un gran impacto para mí”, dijo, describiendo el resultado publicado en 2018. Las probabilidades de que esa diferencia ocurra por casualidad son menos de 1 en 10,000. Pero aún podría ser causado por una falla en los experimentos.
Buscando la causa raíz
Los científicos se enfrentan a dos tipos de incertidumbres o errores en los experimentos: estadísticos o sistemáticos. Los errores estadísticos provienen de no tener suficientes datos para sacar conclusiones sólidas. Si puede obtener más datos, puede reducir esos errores de manera confiable. Los errores sistemáticos son incertidumbres fundamentales con el experimento. Muchas veces, están lejos de ser obvias. Los dos tipos de experimentos de la vida de las neuronas tienen errores sistemáticos potenciales muy diferentes. Los experimentos serían un gran control entre sí si los resultados coincidieran. Pero hace que sea endiabladamente difícil averiguar por qué no lo hacen.
“Lo más difícil de medir la vida útil de los neutrones es que es demasiado corta y demasiado larga”, dijo Hoogerheide. “Resulta que 15 minutos es un tiempo realmente incómodo de medir en física”.
De modo que los científicos nucleares continúan trabajando para recopilar más datos y minimizar los errores sistemáticos.
“Una de las cosas que encuentro más divertidas de mi campo es la exquisita atención a los detalles que se requiere y la profundidad con la que hay que comprender cada aspecto de su experimento para poder realizar una medición sólida”, dijo Leah Broussard, física nuclear de ORNL. .
En NIST, Hoogerheide, Greene y otros están ejecutando un nuevo experimento de haz que analiza cada posible problema de la manera más completa posible. Desafortunadamente, cada ajuste afecta a los demás, por lo que son dos pasos hacia adelante y uno hacia atrás.
Otros esfuerzos están buscando nuevas formas de medir la vida útil de los neutrones. Investigadores de la Universidad Johns Hopkins y la Universidad de Durham del Reino Unido con el apoyo del DOE descubrieron cómo usar los datos de NASA para medir la vida útil de los neutrones. Basado en neutrones que salen de Venus y Mercury, calcularon una vida útil de 780 segundos con una incertidumbre de 130 segundos. Pero debido a que la recopilación de datos no se diseñó para este propósito, la incertidumbre es demasiado alta para resolver la diferencia de vida útil. En LANL, Tang está preparando un experimento que es un cruce entre los experimentos de botella y haz. En lugar de medir protones al final, medirá electrones.
Posibilidades exóticas aguardan
También existe la posibilidad de que la diferencia revele una brecha en nuestro conocimiento de esta partícula fundamental.
“No podemos dejar ninguna piedra sin remover”, dijo Tang. “Hay tantos ejemplos de personas que han visto algo, simplemente arrojaron algo a un error, no trabajaron en ello lo suficiente, y alguien más lo hizo y obtuvieron el Premio Nobel”.
Una teoría es que el neutrón se está descomponiendo de una manera que los científicos simplemente no conocen. Puede descomponerse en partículas diferentes a las conocidas combinaciones de protones, electrones y antineutrinos. Si lo hace, eso explicaría por qué los neutrones están desapareciendo en los experimentos de la botella, pero el número correspondiente de protones no aparece en los experimentos de haz.
Otras ideas son aún más radicales. Algunos teóricos propusieron que los neutrones se están descomponiendo en rayos gamma y misteriosa materia oscura. La materia oscura constituye el 75 por ciento de la materia en el universo, sin embargo, hasta donde sabemos, solo interactúa con la materia regular a través de la gravedad. Para probar esta teoría, un grupo de científicos de LANL hizo una versión del experimento de la botella en la que midieron tanto neutrones como rayos gamma. Pero los rayos gamma propuestos no se materializaron, dejando a los científicos sin evidencia de materia oscura de neutrones.
La materia espejo es otro concepto posible que suena a ciencia ficción. En teoría, los neutrones “perdidos” podrían estar convirtiéndose en neutrones espejo, copias perfectas que existen en un universo opuesto. Habiendo evolucionado de una manera diferente a nuestro universo, este universo espejo sería mucho más frío y dominado por el helio. Mientras que algunos científicos nucleares como Greene piensan que esto es “inverosímil”, otros están interesados en probarlo por si acaso.
“Es un territorio relativamente inexplorado. Es muy convincente para mí porque tengo una gran fuente de neutrones en mi patio trasero ”, dijo Broussard, refiriéndose a la fuente de neutrones de espalación y al reactor de isótopos de alto flujo, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.
Para probar esta teoría, Broussard está analizando datos de un experimento que imita los experimentos de vida útil del haz, pero ajustado para detectar una señal de la potencial pareja invisible del neutrón. Al disparar un haz de neutrones a través de un campo magnético específico y luego detenerlo con un material que detiene los neutrones normales, ella y sus colegas deberían poder detectar si existen o no neutrones espejo.
Independientemente de los resultados que arroje este experimento, el trabajo para comprender la vida útil de los neutrones continuará. “Es muy revelador que haya tantos intentos de medir con precisión la vida útil de los neutrones. Eso te dice la reacción emocional de los científicos ante una discrepancia en el campo: ‘¡Quiero explorar esto!’ ”, Dijo Broussard. “Todo científico está motivado por el deseo de aprender, el deseo de comprender”.
